Skrivet i sten

På sitt kontor i Building 68 håller Dianne Newman en polerad, sfärisk sten randig med järnband. Sådana stenar finns på alla kontinenter och är den vanligaste källan till järnmalm. Och för Newman ger exemplar som detta 2,4 miljarder år gamla exempel insikter som kan hjälpa till att reda ut en mycket knotig del av jordens historia. När började forntida mikrober producera det syre vi andas, och vilken typ av mikrober var de?

Newman planerade inte att ägna sin karriär åt att utforska sådana frågor. Hon kom till MIT 1993 för att ta en civilingenjörsexamen, och tänkte att hon skulle arbeta inom området i några år innan hon gick på juristutbildningen för att bli patentombud. Men en klass i miljömikrobiologi gjorde henne fascinerad av mångfalden av bakteriers metabolism - de kemiska reaktionerna de utför för att leva. Jag lärde mig att bakterier kunde äta giftiga föreningar och omvandla dem till godartade, minns hon. Ett projekt som fick bakterier att omvandla arsenik till ett halvledande material fick henne att intressera sig för hur bakterier kan ha format jordens kemiska sammansättning, och hon flyttade till geovetenskapsavdelningen, där hon tog sin doktorsexamen. Efter sju år på Caltech började hon på MIT-fakulteten 2007 som professor i biologi och geobiologi.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2008

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Mikrober är de bästa kemisterna på planeten, förundras Newman. Bra nog faktiskt att ha omformat sin miljö. När vårt solsystem bildades för 4,5 miljarder år sedan var jordens atmosfär nästan syrefattig. De första encelliga livsformerna, som uppstod för cirka 3,8 miljarder år sedan, levde troligen i haven och hade ämnesomsättningar som varken krävde syre eller producerade det som en biprodukt. En del av dem livnärde sig på järn; deras metaboliska processer förändrade järnets kemiska tillstånd och skapade avlagringarna i Newmans sten. Andra livnärde sig förmodligen på svavel.

Och så hände något som skulle möjliggöra djur- och växtliv som vi känner det. Vissa bakterier började använda solljus för att dela vatten till väte, som de använde för att göra bränsle, och syre, som de släppte ut som avfall. Tack vare syrehaltig fotosyntes hade atmosfären och det grundaste havsvattnet betydande syrehalter för cirka 2,4 miljarder år sedan; för cirka 540 miljoner år sedan var syrenivåerna jämförbara med de som ses idag.

Frågan om vilken organism som först började producera syre, och när, är ett av de stora mysterierna i jordens historia. Det är ett riktigt svårt problem men väldigt förföriskt, säger Newman.

För att svara på det fokuserar Newman och andra på MIT och runt om i världen på stenar som den på hennes kontor. Precis som dinosaurieben, inkorporerades resterna av bakterier som levde i de antika haven i sten under miljoner (i bakteriens fall, miljarder) år. Forskare vet att vissa föreningar endast tillverkas genom processer som utförs i levande organismer, så när de ser sådana föreningar i en sten betyder det att berget reflekterar spår av forntida liv. Geobiologer tolkar dessa bakteriella fossiler genom att jämföra de kemiska föreningarna i dem med de som skapas av moderna bakterier som fortfarande är beroende av uråldriga metaboliska processer. Genom en sådan analys hoppas de kunna fastställa vilka mikrober som gjort de kemiska föreningarna kvar i stenarna. Man måste titta på funktionen av dessa kemikalier i massor av levande organismer, säger Newman. Denna typ av logik länkar oss till det förflutna.

Ett av de viktigaste kemiska spåren efter gamla bakterier är en grupp föreningar som kallas 2-metyl-BHP. 1999 hittade Roger Summons, en MIT-professor i geobiologi, och kollegor dessa föreningar i 2,5 miljarder år gamla stenar från Hamersley Basin i västra Australien. Dessa stenar, från en järngruva, liknar den polerade på Newmans kontor. Idag är syreproducerande fotosyntetisatorer som kallas cyanobakterier de primära producenterna av dessa BHP. Av denna anledning och många andra, inklusive vissa egenskaper hos Hamersley-platsen, har Summons och andra tolkat fyndet som bevis på att cyanobakterier utförde modern fotosyntes för 2,5 miljarder år sedan. Logiken var att dessa föreningar tillverkas av cyanobakterier; cyanobakterier gör syrehaltig fotosyntes; därför pågick syrehaltig fotosyntes vid den tiden, säger Newman.

Newman tycker att hennes egen forskning ställer tvivel på denna slutsats. Hon har studerat en annan bakteriestam som producerar BHP: så kallade lila bakterier, som inte kan använda vatten för att producera syre. Istället oxiderar de järn, väte eller olika organiska föreningar. Vi försöker ta reda på funktionen hos [BHP] i cellerna som gör dem idag, säger hon. Våra preliminära fynd tyder på att BHP inte har någon direkt koppling till fotosyntes. Summons, som samarbetar med Newman i en del av hennes forskning, tar inte hennes skepsis personligt; han är övertygad om att hennes arbete kommer att leda till viktiga insikter om dessa föreningar och i synnerhet varför och hur bakterier gör dem. Men han påpekar också att hennes fynd inte motbevisar teorin om att kemiska spår efterlämnade av cyanobakterier finns bevarade i Hamersley.

Samtidigt belyser Newmans arbete med bakterieföreningar kända som fenaziner ett problem som är mer omedelbart än mysteriet om hur vår syrerika luft kom till. Genom att förändra hur forskarna förstår dessa organiska molekyler kan hennes forskning leda till nya behandlingar för kroniska bakterieinfektioner.

Fenaziner har länge klassificerats som sekundära metaboliter, biprodukter av de processer som producerar mer kritiska metaboliska föreningar. De har också länge varit kända för att fungera som antibiotika. Men Newman har visat att fenaziner också har djupgående effekter på mikrobiell överlevnad och utveckling.

Newman fick idén till denna forskning när han studerade bakterier som, hur konstigt det än låter, använder järnhaltiga stenar för att andas. Människor använder syre för att bränna kolet i, säg, en tonfisksmörgås, vilket skapar energi; Syrets roll är att ta emot elektroner från kolet. Järn spelar en liknande roll för de stenandande bakterierna, som får sin energi när de överför elektronerna i kolhaltiga föreningar som glukos till järnet i stenar. Det andas inte i mänsklig mening – själva järnet kommer inte in i cellerna, eftersom syre kommer in i våra lungor. Snarare skickar stenandande bakterier en elektrisk ström till järnet med hjälp av molekyler som fungerar som elektronskyttlar. Dessa molekyler transporterar elektroner från en bakteriecell till nästa och i slutändan till ytan av en järnhaltig sten, som händerna på en publik som färja en folksurfande rockstjärna. Newman och hennes kollegor antar att fenaziner kan fungera som elektronskyttlar i andra bakterier.

Om de har rätt kan deras insikt ha bredare implikationer, eftersom den tar upp vad Newman kallar ett generiskt problem för bakterier som växer på vilken yta som helst. Få bakterier lever på egen hand. Oavsett var och hur de får sin energi - om de njuter av sockerarterna i dina tänders sprickor eller slurpar svavel från undervattensöppningar - lever de flesta bakterier i tjocka, klängiga samhällen som kallas biofilmer. Inuti en biofilm kommer vissa av dem att vara närmare än andra de kemikalier de behöver för att utföra sina energiproducerande reaktioner. När Newman tänkte på hur järnandande bakterier använder elektronskyttlar för att transportera sina elektroner från djupt inuti en biofilm till en stenyta, insåg hon att bakterier som växer i biofilmer i våra kroppar kan göra något liknande.

Newman bestämde sig för att testa betydelsen av fenaziner som produceras av den mänskliga patogenen Pseudomonas aeruginosa, som orsakar allvarliga kroniska infektioner hos personer som har cystisk fibros eller vars immunsystem har äventyrats. Om de lever i lungorna skulle dessa bakterier stöta på samma problem som berget andas bort från världen: de i mitten av biofilmen skulle isoleras från ett viktigt energisubstrat, i detta fall syre.

För att testa om dessa bakterier kunde använda fenaziner för att övervinna utmaningarna med att leva gemensamt, konstruerade forskare i Newmans labb två muterade stammar av dem. Den ena stammen kunde inte göra fenaziner, medan den andra tillverkade dem i stora mängder. När Newman och hennes medarbetare odlade bakterierna i petriskålar såg de skillnader i arkitekturen i deras samhällen. Den överproducerande stammen växte i ett tätt, slätt lager, utspritt som Los Angeles. Den fenazinfria stammen spred sig också över ett stort område men växte i höga torn, byggda som New York City – förmodligen för att maximera varje cells exponering för luftens syre.

Dessa resultat är lovande; nu måste Newman utföra tester för att se hur de två mutantstammarna växer i lungan. Om Pseudomonas behöver fenaziner för att överleva kan forskare i teorin utveckla terapier som hindrar bakterierna från att syntetisera eller använda dem; som kan hjälpa till att utrota kroniska infektioner.

Att få tillgång till syre idag är lika mycket ett problem som att få tillgång till ett mineral var förr, säger Newman. Det är just sådana kopplingar som gör geobiologi till en rik och överraskande kunskap, inte bara om planetens historia utan om vår nutid.

Dölj